第七章生物表面活性劑

第一節(jié)生物表面活性劑概述第二節(jié)生物表面活性劑的生產(chǎn)第三節(jié)生物表面活性劑的合成代謝調(diào)節(jié)第四節(jié)生物表面活性劑的應(yīng)用與前景第一節(jié)生物表面活性劑概述

一、前言表面活性劑是當(dāng)今生物技術(shù)中常用的和重要的化合物。它可以減少液體、固體和氣體界面間的表面或界面張力，使其在水或其他液體中容易混合或擴(kuò)散因而廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代工業(yè)的幾乎每一個(gè)領(lǐng)域?，F(xiàn)今世界表面活性劑的年產(chǎn)量已超過(guò)300萬(wàn)噸，產(chǎn)值高達(dá)約40億美元。目前大多數(shù)市售的表面活性劑主要來(lái)自石油的化學(xué)產(chǎn)品。生物表面活性劑：具有特別高表面活性的生物分子稱為生物表面活性劑。它可以來(lái)源于微生物、植物以及動(dòng)物，其中微生物生產(chǎn)的生物表面活性劑是一類具有特別高的表面活性的生物分子，具有較好的兩親性和界面優(yōu)先分配的能力，而且比較適合于工業(yè)化生產(chǎn)。二、生物表面活性劑的基本特性生物表面活性劑由親水和疏水部分組成，親水部分由單糖、二糖或多糖、羧酸、氨基酸或肽組成，而疏水部分往往是飽和、不飽和或羥基取代的脂肪酸。對(duì)于一些高分子量的表面活性劑分子，如蛋白質(zhì)－多糖絡(luò)合物，其親水和疏水部分由不同的分子提供。（一）特性和功能生物表面活性劑可將發(fā)酵液表面張力降低到0.03N/m以下，將正構(gòu)烷烴的界面張力降低到0.13N/m以下。一些生物表面活性劑也表現(xiàn)出較好的熱與化學(xué)穩(wěn)定性。（二）生理學(xué)功能生物表面活性劑的生理學(xué)功能都與生物表面活性劑的兩親性有關(guān)。1.可以增強(qiáng)非極性底物的乳化作用和溶解作用，從而促進(jìn)微生物在非極性底物中的生長(zhǎng)。2.抗生性生物表面活性劑（主要為脂肽和甘油酯）具有殺蟲活性。這是由于它具有兩親性，能溶解大多數(shù)細(xì)胞膜成分而具有抗生素功能。三、生物表面活性劑的類型微生物生產(chǎn)的生物表面活性劑的類型主要取決于所采用的微生物。從化學(xué)類型可分為：（一）糖脂和分枝菌酸脂分枝菌酸脂海藻糖脂鼠李糖脂槐糖脂第二節(jié)生物表面活性劑的生產(chǎn)一、生物表面活性劑的合成及其遺傳學(xué)（一）生物合成1.概論生物表面活性劑的生物合成途徑多種多樣，有從頭合成疏水部分、親水部分或者兩者都合成，對(duì)于那些非從頭合成的組分通過(guò)改良碳源如糖類、烷烴等來(lái)生產(chǎn)，各種不同碳源基質(zhì)常常能被結(jié)合進(jìn)生物表面活性劑，形成一屬有關(guān)的分子。在脂肽中，脂和肽部分都由烷烴直接合成。糖脂如海藻糖脂是一個(gè)典型的化合物，其親水部分（海藻二糖）不受碳基質(zhì)的影響，而脂肪酸部分則取決于進(jìn)料烷烴的鏈長(zhǎng)。以烴類為基質(zhì)生產(chǎn)的生物表面活性劑是生物表面活性劑中的一大類，許多微生物都可以以烴類為單一碳源生長(zhǎng)。酵母菌和真菌主要利用直鏈飽和烴，細(xì)菌則除了降解異構(gòu)烴或環(huán)烷烴以外，還利用不飽和烴和芳香族化合物。微生物以烴類為基質(zhì)產(chǎn)生出生物表面活性劑可能由兩方面的原因：（1)當(dāng)生物表面活性劑為胞外產(chǎn)物時(shí)，它有利于烴類乳化；（2）當(dāng)生物表面活性劑為胞壁結(jié)合型時(shí)，有利于烴類穿透漿膜外周間隙2.脂肪酸的合成在生物表面活性劑生產(chǎn)中，脂肪酸的碳鏈范圍通常很窄，主要是C16酸、C18酸及C20酸。（1）乙酰－CoA的來(lái)源

細(xì)菌中

酵解

丙酮酸脫氫酶葡萄糖丙酮酸乙酰－CoA酵母菌和霉菌中乙酰－CoA通過(guò)與肉毒堿或草酰乙酸反應(yīng)透過(guò)線粒體。當(dāng)以乙醇或乙酸等C2基質(zhì)作為生長(zhǎng)培養(yǎng)基時(shí)，乙酰－CoA就會(huì)直接合成。（2）乙酰－CoA的羧基化乙酰－CoA被乙酰－CoA羧化酶羧化成丙二酰－CoA，然后作為C2供體，以乙酰為單位在合成脂肪酸中逐步使碳鏈延長(zhǎng)。（3）碳鏈的延伸過(guò)程乙?；c丙二?；s合，產(chǎn)生C4單元，然后還原，脫水，C4單元進(jìn)一步還原，形成丁?；?，丁?；c另一個(gè)丙二?；s合，按上述過(guò)程循環(huán)，產(chǎn)生C6單元，如此反復(fù)循環(huán)直至形成長(zhǎng)鏈?；?.類脂的合成生物表面活性劑的非極性憎水部分通常是由一個(gè)或多個(gè)長(zhǎng)鏈?；鶚?gòu)成的類脂基。盡管由全程合成或由烴氧化生成脂肪酸在胞外可以以游離形式存在，但當(dāng)胞內(nèi)脂肪酸濃度大于某一極限時(shí)，細(xì)胞就不能耐受其毒性，因此，脂肪酸在細(xì)胞外必須以某種酯化形式存在，以減少對(duì)細(xì)胞的毒性。真核細(xì)胞中最常見(jiàn)的類脂儲(chǔ)藏形式時(shí)脂肪酸與甘油形成的甘油單、雙、三酯，細(xì)菌中則可形成多種脂肪酸酯。（二）遺傳學(xué)生物表面活性劑合成的遺傳學(xué)分析還處于早期階段，利用DNA技術(shù)控制生物表面活性劑生產(chǎn)進(jìn)展很慢，目前用遺傳工程生產(chǎn)生物表面活性劑的例子只有將乳糖利用基因在銅綠假單胞菌中的表達(dá)，使得其在乳糖或乳酪清中得以生長(zhǎng)并生產(chǎn)鼠李糖脂。

最近，用B.Subtilis生產(chǎn)表面活性劑所需的srfA基因，已被置于一個(gè)可誘導(dǎo)促進(jìn)因子的控制之下，從而表面活性劑的生產(chǎn)僅僅依賴于在生長(zhǎng)培養(yǎng)基中加入誘導(dǎo)物isopropyl-β-galactoside(IPTG)，其他具有增強(qiáng)生物表面活性劑生產(chǎn)的重組微生物也已經(jīng)得到。與其他微生物發(fā)酵一樣，生物表面活性劑生產(chǎn)的目的是獲得最大的產(chǎn)率、轉(zhuǎn)化率和最終濃度。另外，減少其他代謝產(chǎn)物的積累十分重要，因?yàn)樗鼈儠?huì)影響產(chǎn)品的物理性質(zhì)和提取過(guò)程。（一）培養(yǎng)基1.碳源是影響生物表面活性劑結(jié)構(gòu)和產(chǎn)量的關(guān)鍵。加入烷烴對(duì)生物表面活性劑的生產(chǎn)既可能起誘導(dǎo)作用，也可能起阻礙作用。生物表面活性劑前體物質(zhì)（蔗糖）的加入可以形成甘油脂親水支鏈的組成部分，同樣脂肪酸部分的結(jié)構(gòu)也受烷烴鏈長(zhǎng)的左右。2.氮、磷、金屬離子和其他添加劑等營(yíng)養(yǎng)成分也可能會(huì)影響生物表面活性劑的生產(chǎn)。例如，BacilluslichenifomisJF-2的脂肽生物表面活性劑的生產(chǎn)中，將磷濃度從100mmol/dm3降低至50mmol/dm3，可將產(chǎn)量從35mg/dm3提高到110mg/dm3。多價(jià)離子對(duì)生物表面活性劑生產(chǎn)的影響可能與氮代謝有關(guān)。青霉素或氯霉素等抗生素的加入增強(qiáng)或抑制生物表面活性劑的生產(chǎn)。3.此外，像許多其他發(fā)酵一樣，培養(yǎng)溫度、培養(yǎng)基pH和溶解氧水平或攪拌速率對(duì)生物表面活性劑生產(chǎn)也具有重要影響。（二）發(fā)酵大多生物表面活性劑在微生物生長(zhǎng)的穩(wěn)定期和對(duì)數(shù)期都釋放到培養(yǎng)基中。生物表面活性劑的生產(chǎn)可以在低稀釋率下通過(guò)分批或連續(xù)發(fā)酵進(jìn)行。對(duì)于可以通過(guò)休止細(xì)胞產(chǎn)生的生物表面活性劑，可以通過(guò)固定化酶進(jìn)行生產(chǎn)，并可以結(jié)合具有吸附柱的生物反應(yīng)器。除傳統(tǒng)的液態(tài)發(fā)酵技術(shù)外，其他發(fā)酵操作也已被應(yīng)用于生物表面活性劑的生產(chǎn)。例如，利用重組Bacillussubtillus在豆腐殘?jiān)瞎虘B(tài)發(fā)酵生產(chǎn)Surfactin,其產(chǎn)量是液體發(fā)酵的4倍以上。（一）碳水化合物分解代謝的機(jī)理微生物產(chǎn)生生物表面活性劑常常以烴類為基礎(chǔ)，然而也能以碳水化合物為基質(zhì)。雖然生物表面活性劑分子由糖和類脂兩部分構(gòu)成，但在以碳水化合物為基質(zhì)時(shí)，整個(gè)分子的合成速度受類脂的合成速度所控制。因此，影響碳水化合物基質(zhì)中脂肪酸形成的因素同樣也可能影響生物表面活性劑的合成。

圖7-1從從碳水化合物基質(zhì)合成生物表面活性劑前體的中間代謝A一磷酸果糖激酶B一丙酮酸激酶C一異檸檬酸脫氫酶D——ATP／檸檬酸裂合酶和丙酮酸脫氫酶A、B、C和D為關(guān)鍵酶（三）生物表面活性劑合成的調(diào)節(jié)生物表面活性劑的合成可通過(guò)油性物質(zhì)的誘發(fā)作用、葡萄糖等物質(zhì)的代謝抑制、限氮及限多價(jià)陽(yáng)離于以及其他作用方法調(diào)節(jié)。此外，改變微生物生長(zhǎng)速度常常會(huì)使生物表面活性劑過(guò)量生產(chǎn)。溫度對(duì)生物表面活性劑合成也有調(diào)節(jié)作用。目前研究最多的是烴和其他不溶于水的物質(zhì)誘發(fā)微生物生產(chǎn)生物表面活性劑的調(diào)節(jié)方式。據(jù)認(rèn)為，烴的存在對(duì)生物表面活性劑的生成起誘導(dǎo)作用，且發(fā)現(xiàn)在生長(zhǎng)培養(yǎng)基中添加烴時(shí)生長(zhǎng)的細(xì)胞在形態(tài)學(xué)上有顯著的差異。烴的類型可能也很重要。例如不動(dòng)桿菌生產(chǎn)的乳化劑對(duì)特定烴類有一定的專一性。

第四節(jié)生物表面活性劑的應(yīng)用與前景一、生物表面活性劑的應(yīng)用1.生物表面活性劑在石油工業(yè)中的應(yīng)用（1）利用微生物和微生物表面活性劑回收巖層中的石油。（2）利用微生物表面活性劑降低石油粘滯度和凈化貯油罐。2.生物表面活性劑在采礦工業(yè)中的應(yīng)用生物表面活性劑可促進(jìn)無(wú)機(jī)礦質(zhì)的分散。乙酸鈣不動(dòng)桿菌產(chǎn)生的陰離子多糖可防止石灰石水混物發(fā)生絮凝，使其產(chǎn)生10％的分散，也可促使石灰石裂解為小顆粒。3.生物表面活性劑在食品工業(yè)中的應(yīng)用乳化可在食品原料形成一定的濃度、質(zhì)地和分散相中發(fā)揮重要作用。生物表面活性劑可作為乳化劑用于食品原料的加工，也可用于面包和肉類生產(chǎn)，改善面粉的流變學(xué)特征，以及部分裂解的脂肪組織的乳化。4.生物表面活性劑在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用近年來(lái)，鑒于化學(xué)農(nóng)藥對(duì)環(huán)境的污染，全球科學(xué)家均十分關(guān)注利用生物表面活性劑對(duì)作物病蟲害進(jìn)行生物防治。生物表面活性劑可使粘重土壤親水化，進(jìn)而增加其可濕性，令肥料和農(nóng)藥均勻地分布于土壤。還可增加有機(jī)磷殺蟲劑地溶解度。5.生物表面活性劑在醫(yī)藥中的應(yīng)用已證實(shí)微生物產(chǎn)生的表面活性劑可供藥用。例如銅綠假單胞菌產(chǎn)生的鼠李糖脂、枯草芽孢桿菌和地衣?tīng)钛挎邨U菌產(chǎn)生的脂肽，以及南極假絲酵母產(chǎn)生的甘露赤蘚糖脂都有抗微生物活性。6.生物表面活性劑在保健化妝品中的應(yīng)用微生物表面活性劑具有一定的保濕能力，且可與皮膚相容。假絲酵母以棕櫚油和葡萄糖作為碳源可產(chǎn)生100～150g/L的槐糖脂。已生產(chǎn)出一種含有1摩爾槐糖脂和12摩爾丙二醇的皮膚保濕劑。7.生物表面活性劑在環(huán)境保護(hù)中的應(yīng)用（1）用生物表面活性劑消除海域中的石油污染。已發(fā)現(xiàn)例如銅綠假單胞菌SB30等所產(chǎn)生的乳劑可將海灘中的石油迅速分散為微滴。（2）利用微生物表面活性劑消除土壤中的烴污染Bai等（1997）利用銅綠假單胞菌產(chǎn)生的陰離子鼠李糖脂生物表面活性劑，消除了沙柱中84％或22％的殘余烴類（十六碳烷烴）。（3）用微生物表面活性劑消除多環(huán)芳族烴和脂族烴只有少數(shù)微生物可降